[发明专利]一种涡扇发动机控制系统主动容错控制方法

说明书

一种涡扇发动机控制系统主动容错控制方法，设计一个具有良好动态性能的线性变参数增益调度鲁棒跟踪控制器。根据涡扇发动机运行状态的变化，实现传感器与执行机构故障幅值的自适应估计，准确地重构故障信号。根据故障估计结果，设计基于虚拟执行器的主动容错控制策略，在无需重新设计控制器的情况下，通过所设计的主动容错控制策略，在保证控制系统稳定性的前提下，获得和控制系统无故障状态相似的控制效果。通过本发明的方法设计的涡扇发动机控制系统主动容错控制器，针对涡扇发动机控制系统同时发生执行机构与传感器故障时，在无需重新设计控制器的情况下，通过所设计的重构控制器，使得控制系统稳定，并获得和无故障系统相近的转速跟踪效果。

技术领域

本发明涉及一种涡扇发动机控制系统主动容错控制方法，属于航空控制技术领域，具体来说，是指针对涡扇发动机控制系统中，执行机构与传感器的并发性故障，且存在外部扰动的情况下，进行故障估计与主动容错控制的方法。

背景技术

涡扇发动机广泛应用于民机及军机，其安全性与可靠性与飞行安全密切相关。控制系统作为涡扇发动机的“大脑”，确保涡扇发动机在全飞行包线内的安全与性能。控制系统的功能实现需要依靠大量的传感器和执行机构，若其中某些器件发生故障，则很难实现期望的控制效果，甚至影响飞行安全。因此，对涡扇发动机控制系统的性能进行监测，对故障状态实时估计、告警，并采取相应的容错控制措施，具有重要的意义。

文献表明，现有的涡扇发动机控制系统针对传感器和执行机构的故障处理方式采用的是故障诊断和被动容错控制，即控制算法采用PID和Min/Max切换相结合的控制方式，根据涡扇发动机的运行工况及输出的转速、温度、压力等可测参数基于卡尔曼滤波器对控制系统的传感器及执行机构是否发生故障给出判断，当有故障发生时，进一步采用基于硬件余度和控制回路切换的被动容错控制。尽管现有方法可以保证涡扇发动机的安全运行，但存在一定的保守性，主要体现在以下几点：首先，PID+Min/Max控制方式会在航空发动机的控制带宽、幅值/相位裕度以及响应速度等方面引入不理想的特性，难以获得较快的动态响应特性。其次，对故障只进行检测，即判断一有故障发生，就采用如硬件余度或控制回路切换等较为保守的被动容错控制方式进行处理，采用硬件余度难免造成硬件资源浪费；基于控制器切换的容错控制则是以牺牲部分性能指标为代价来确保航空发动机的安全运行。最后，随着涡扇发动机控制系统复杂性增加，故障种类及数量也会增加，因此传统的被动容错控制存在很大的局限性，即需要提前考虑全部可能发生的故障情况，导致控制器具有一定的保守性。值得提出的是，涡扇控制系统常受到噪声信号干扰，现有方法在处理干扰信号下，针对涡扇发动机控制系统传感器及执行器故障的容错控制，尚无理想的解决方法。

发明内容

针对现有涡扇发动机控制系统传感器与执行机构故障诊断与容错控制方法的保守性及难以保证扰动环境下的控制系统鲁棒性问题，本发明提供一种涡扇发动机控制系统主动容错控制方法。首先，设计一个具有良好动态性能的线性变参数(LPV)增益调度鲁棒跟踪控制器。进一步，根据涡扇发动机运行状态的变化，实现传感器与执行机构故障幅值的自适应估计，准确地重构故障信号。然后，根据故障估计结果，设计一种基于虚拟执行器的主动容错控制策略，在无需重新设计控制器的情况下，通过所设计的主动容错控制策略，在保证控制系统稳定性的前提下，获得和控制系统无故障状态相似的控制效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案步骤如下：

一种涡扇发动机控制系统主动容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1：基于涡扇发动机试车数据，建立涡扇发动机LPV模型：